Gasturbinen I - H. Klinkner

Gasturbinen I
Seit 1939 werden Gasturbinen eingesetzt. Sie ersetzen im Flug zeugbau zunehmend den Ottomotor
(außer bei kleinen Leistungen).
Die Phasen des (idealisiert dargestellten) Kreisprozesses verlaufen ununterbrochen in hintereinander
geschalteten Teilanlagen:
isobare Erhitzung in der Brennkammer ; Restluft (÷70%) wird beigemischt.
thermische Überlastung der Turbinenschaufeln wird vermieden.
Q zu
vielstufiger (Axial-)
Verdichter
mehrstufige Axialturbine
Durch die innerer Reibung verlaufen die
Prozesse eigentlich poly trop. Verdichtungsund
Ausgangstemperatur sind höher .
Q ab durch Kühlung oder Gasaustausch
Obwohl (offene) Gasturbinen einen relativ geringen Wirkungsgrad haben und hohe Baukosten erfordern, werden sie
vielfältig eingesetzt. Gasturbinen haben wegen ihrer geringen Masse und Baugröße eine hohe Leistungs dichte.
Sie besitzen keine os zillierenden Massen, liefern ein gleichmäßiges Drehmoment und können auch minder wertige
Brennstoffe ausnutzen. Die Brennstoffe müssen allerdings schwefel arm sein, damit die Legierungsbestandteile der
Schaufeln nicht chemisch reagieren. Gasturbinen bieten eine schnelle Einsatzbereitschaft, sind einfach zu bedienen
und ermöglichen eine automatische Regelung.
Antriebe für ...
Luftstrahl triebwerke
Strom erzeuger
(für Spitzen lasten)
Notstromaggregate,
mobile Kraftwerke,
Luftspeicher-
Arbeitsmaschinen
z.B. Pumpen, Verdichter,
große Schiffsantriebe
Propeller- Turbo-
Luftstrahltriebwerk
unter-
Turbine nur für den Verdichter
Hohe Luftgeschwindigkeit und
-masse ermöglichen großen
Schub (Impuls= m⋅v )
≈ über schallbereich
der offenen Einwellengasturbine:
a) Belastungsanstieg Drehzahl sinkt
fallender Verdichtungsdruck
Turbinenleistung fällt schnell ab
b) Belastungsabfall Drehzahl steigt etwas an
Verdichter verbraucht viel mehr Leistung
schlechter Wirkungsgrad
Offene Einwellengasturbinen sind nur
für gleichbleibende Drehzahlen geeignet.
weitere
a) Zweiwellen gasturbine:
Sie passt sich mit der Drehzahl der Belastung an, denn die Ladeturbine
fördert last - unabhängig:
• Drehzahl der Nutzturbine fällt Drehmoment steigt;
• Teillastregelung: weniger Brennstoff
b) Gasturbine mit Wärmetauscher zwischen Verdichter und Brennkammer :
wirtschaftlich, wenn die Abgase heißer sind als die verdichtete Luft.
(Kleine Temperaturdifferenzen benötigen große Wärmeaustauschflächen.)
Verdichter
Brennkammer
Ladeturbine
Arbeitsturbine

Gasturbinen II
c) Gasturbinen mit geschlossenem Kreislauf:
Dem Arbeitsmittel wird die Wärme von außen über die Rohrwandung
zugeführt; nach der Energieabgabe in der Turbine muss
es zum Anfangszustand zurückgekühlt werden.
Leistungen: bis 1 GW
Lufterhitzer
Kühler
+ keine verschmutzenden, korrodierenden Bestandteile im Gas; chemisch beständige Gase einsetzbar (z.B.
Helium)
+ verschiedenste Brennstoffe (fest, flüssig oder gasförmig) einsetzbar
+ Regelung: einfach über Mengenregelung; im Teillastbereich vermindert man den Druck und damit die
Strömungsmassen guter Teillastwirkungsgrad
- teuer : insbesondere Wärmetauscher und Kühler erforderlich
Um den Wirkungsgrad zu verbessern, muss man hohe Temperaturen anstreben. Die Leit- und Laufschaufeln
benötigen eine hohe Warmfestigkeit. Die Turbinenschaufeln stellt man aus austenitischem Stahl oder aus Legierungen
mit über 20% Ni, 20% Cr, Al und Ti u. 1% Fe her. Sie sind oft verchromt oder haben keramische Überzüge.
Zusätzliche Schaufel kühlung erlaubt Turbineneintrittstemperaturen von 1100 o C.
Die Leitschaufeln werden oft aus Sinterkeramik hergestellt.
1. Wie kann man den Wirkungsgrad von Gasturbinen verbessern?
Turbineneintrittstemperatur erhöhen durch bessere Schaufelmaterialien und durch Schaufelkühlung;
Abgasenergie (teilweise) mittels Wärmetauscher nutzen, Verluste eindämmen,
mit der Abwärme eine Dampfturbine betreiben ( Kombikraftwerk)
2. a) Skizzieren Sie ein Schaltbild einer
offenen Gasturbine mit Abwärmenutzung!
b) Charakterisieren Sie ihr
Betriebsverhalten!
Wärmetauscher
Brennkammer
Weil ein Teil der Abwärme noch genutzt werden kann (Verdichterausgangstemperatur <
Turbinenausgangstemperatur), ist der Wirkungsgrad etwas verbessert, aber nur in einem schmalen
Drehzahlbereich. (Verdichter arbeitet nur dann effektiv; Ein-Wellen-Gasturbine)
3. Warum hat sich die Gasturbine trotz entsprechender Bemühungen nicht im Fahrzeugbau durchgesetzt?
Trotz hoher Leistungsdichte und gleichmäßigem Drehmoment:
1. nur mäßiger Wirkungsgrad ( Wärmetauscher nötig)
2. ungünstiges Betriebsverhalten (und sie ist nicht ganz leise.)
4. Eine einwellige offene Gasturbine verdichtet Luft polytrop von 1 bar und 288 K auf 8,6 bar. Am Verdichteraustritt
wird eine Temperatur (T 2 isentrop = 533 K) T 2 = 579 K gemessen. Die
Turbineneintrittstemperatur beträgt 1073 K. Am Turbinenaustritt wird eine Temperatur von 682 K
gemessen (polytrope Expansion auf 1 bar).
a) Wie viel Wärme muss in der Brennkammer jedem kg Luft zugeführt werden?
(mittlere spez. Wärmekapazität c p =1,11 kJ/kg⋅K)
548 kJ
b) Berechnen Sie die Abgasenergie ( c p =1,03 kJ/kg⋅K ) 406 kJ
c) Wie groß ist der effektive Wirkungsgrad der Turbine bei einem mechanischen
Wirkungsgrad von 90%? 23%
d) Für welchen Massenstrom muss die Gasturbine ausgelegt werden, damit sie 45 000 kW abgibt?.
352 kg/s

Gasturbinen
a) geg.: p 2 3
1 4
V
T 1 = 288 K
T 2 = 579 K
T 3 = 1073 K
T 4 = 682 K
ges.: Q 2-3 in kJ
Q = m ⋅c ⋅ ( T −T
)
2−3 p 3 2
Isobare !!
1 kg
q2 3
cp
( T3 T2
) 1,11
kJ
(1073K 579 K ) 548,3
kJ
−
= ⋅ − = ⋅ − =
kg ⋅K
kg
b)
c)
q = 4 1
c ⋅ p ( T − 1
T4) = 1,03
kJ
( 394 K ) 405,8
kJ
−
kg ⋅K
⋅ − = − kg
η = η ⋅η
eff th mech
η
th
(548,3 − 405,8) kJ
Q
zu
− Q
ab
kg
= = = 0,26
Qzu
548,3 kJ kg
η
eff
= 0,26 ⋅ 0,9 = 0,234
d)
•
P =
W
=
m ⋅W
= m ⋅w
t t ⋅ m
Arbeit pro kg
w = qzu
⋅ η
eff
= 548,3
kJ
⋅ 0,234 = 128,2
kJ
kg
kg
45000 kJ
•
P
s kg
m = = = 351
w
128,2 kJ s
kg
weil noch Platz ist ...
... hier eine
kaum bekannte
interessante
Variante: